Hjärnan innehåller en ”karta” över kroppen som förblir oförändrad även efter att en lem har amputerats, i motsats till den rådande uppfattningen att den omorganiserar sig för att kompensera för förlusten, enligt ny forskning från forskare i Storbritannien och USA.
Resultaten, som publicerats i Nature Neuroscience, har betydelse för behandlingen av smärta i ”fantomlemmar”, men tyder också på att det kan vara enklare än tidigare trott att styra robotiska ersättningslemmar via neurala gränssnitt.
Studier har tidigare visat att det inom ett område av hjärnan som kallas somatosensorisk cortex finns en karta över kroppen, där olika regioner motsvarar olika kroppsdelar.
Dessa kartor ansvarar för att bearbeta sensorisk information, såsom beröring, temperatur och smärta, samt kroppsposition. Om du till exempel rör vid något varmt med handen aktiveras en viss region i hjärnan; om du stöter tån aktiveras en annan region.
I årtionden har den allmänt accepterade uppfattningen bland neurovetenskapsmän varit att efter amputation av en lem omorganiseras angränsande områden och i princip tar över det område som tidigare tillhörde den nu saknade lemmen. Detta har baserats på bevis från studier som utförts efter amputation, utan att man jämfört aktiviteten i hjärnkartorna i förväg.
Men detta har inneburit ett dilemma. De flesta amputerade rapporterar fantomsensationer, en känsla av att lemmen fortfarande finns på plats – detta kan också leda till sensationer som klåda eller smärta i den saknade lemmen. Dessutom har hjärnavbildningsstudier där amputerade har ombetts att ”röra” sina saknade fingrar visat hjärnmönster som liknar dem hos personer utan funktionsnedsättning.
För att undersöka denna motsägelse följde ett team under ledning av professor Tamar Makin från University of Cambridge och dr Hunter Schone från University of Pittsburgh tre personer som skulle genomgå amputation av ena handen.
Detta är första gången en studie har undersökt hand- och ansiktskartor hos individer både före och efter amputation. Det mesta av arbetet utfördes medan professor Makin och dr Schone var vid UCL.
Före amputationen kunde alla tre individerna röra alla fem fingrarna på sina händer. Medan de låg i en funktionell magnetresonans-skanner (fMRI) – som mäter aktiviteten i hjärnan – ombads deltagarna att röra sina fingrar och spetsa läpparna. Forskarna använde hjärnskanningarna för att konstruera kartor över handen och läpparna för varje individ. På dessa kartor ligger läpparna nära handen.
Deltagarna upprepade aktiviteten tre månader och sedan sex månader efter amputationen, denna gång ombedda att spänna läpparna och föreställa sig att de rörde enskilda fingrar. En deltagare skannades igen 18 månader efter amputationen och en andra deltagare fem år efter amputationen.
Forskarna undersökte signalerna från kartorna över fingrarna före amputationen och jämförde dem med kartorna efter amputationen. Analysen av bilderna före och efter visade en anmärkningsvärd överensstämmelse: även om handen nu saknades aktiverades motsvarande hjärnregion på nästan identiskt sätt.
Professor Makin, från Medical Research Council Cognition and Brain Science Unit vid University of Cambridge, studiens huvudförfattare, sa: ”På grund av vårt tidigare arbete misstänkte vi att hjärnkartorna skulle vara i stort sett oförändrade, men omfattningen av att kartan över den saknade lemmen förblev intakt var häpnadsväckande.
Med tanke på att den somatosensoriska cortex är ansvarig för att tolka vad som händer i kroppen, verkar det förvånande att den inte verkar veta att handen inte längre finns där.”
Eftersom tidigare studier hade antytt att kroppskartan omorganiseras så att angränsande regioner tar över, tittade forskarna på regionen som motsvarar läpparna för att se om den hade flyttats eller spridit sig. De fann att den var oförändrad och inte hade tagit över området som representerade den saknade handen.
Studiens försteförfattare, dr Schone från avdelningen för fysikalisk medicin och rehabilitering vid University of Pittsburgh, sa: ”Vi såg inga tecken på den omorganisation som enligt klassisk tänkande borde ha skett. Hjärnkartorna förblev statiska och oförändrade.”
För att komplettera sina resultat jämförde forskarna sina fallstudier med 26 deltagare som hade amputerat sina övre extremiteter i genomsnitt 23,5 år tidigare. Dessa individer uppvisade liknande hjärnrepresentationer av handen och läpparna som de i de tre fallstudierna, vilket tyder på långsiktiga bevis för stabiliteten hos hand- och läpprepresentationer trots amputation.
Forskarna erbjuder en förklaring till det tidigare missförståndet om vad som händer i hjärnan efter amputation. De säger att gränserna inom hjärnkartorna inte är tydliga – hjärnan har visserligen en karta över kroppen, men varje del av kartan stöder inte enbart en kroppsdel.
Så även om input från långfingret till stor del kan aktivera en region, visar de också viss aktivitet i regionen som representerar pekfingret, till exempel.
Tidigare studier som argumenterar för en omfattande omorganisation fastställde kartornas layout genom att tillämpa en ”vinnaren tar allt”-strategi – man stimulerade de återstående kroppsdelarna och noterade vilket område i hjärnan som visade mest aktivitet. Eftersom den saknade lemmen inte längre finns där för att stimuleras har aktiviteten från angränsande lemmar felaktigt tolkats som att den tar över.
Resultaten har betydelse för behandlingen av fantomsmärta, ett fenomen som kan plåga amputerade. Nuvarande metoder fokuserar på att försöka återställa representationen av lemmen i hjärnans karta, men randomiserade kontrollerade studier för att testa denna metod har visat begränsad framgång – dagens studie tyder på att detta beror på att dessa metoder fokuserar på fel problem.
Dr Schone säger: ”De återstående delarna av nerverna – som fortfarande finns kvar i stumpen – är inte längre kopplade till sina slutmål. De är dramatiskt avskurna från de sensoriska receptorer som har levererat dem konsekventa signaler. Utan ett slutmål kan nerverna fortsätta att växa och bilda en förtjockning av nervvävnaden och skicka brusiga signaler tillbaka till hjärnan.
De mest lovande behandlingarna innebär att man omprövar hur amputationsoperationen faktiskt utförs, till exempel genom att transplantera nerverna till en ny muskel eller hud, så att de får en ny plats att fästa sig vid.”
Av de tre deltagarna hade en kraftiga smärtor i lemmarna före amputationen, men genomgick en komplex procedur för att transplantera nerverna till ny muskel eller hud. Hon har nu inga smärtor längre. De andra två deltagarna fick dock standardbehandling och fortsätter att uppleva smärtor i fantomlemmarna.
University of Pittsburgh är en av flera institutioner som forskar om rörelse och känsel kan återställas i förlamade lemmar eller om amputerade lemmar kan ersättas med artificiella, robotstyrda lemmar som styrs av ett hjärngränssnitt. Denna studie tyder på att eftersom hjärnkartorna bevaras bör det – i teorin – vara möjligt att återställa rörelse i en förlamad lem eller att hjärnan kan styra en protes.
Dr Chris Baker från Laboratory of Brain & Cognition, National Institutes of Mental Health, säger: ”Om hjärnan kopplade om sig själv efter amputationen skulle dessa tekniker misslyckas. Om det område som tidigare ansvarade för att styra handen nu ansvarade för ansiktet skulle implantaten helt enkelt inte fungera. Våra resultat ger en verklig möjlighet att utveckla dessa tekniker nu.”
Dr Schone tillägger: ”Nu när vi har visat att dessa kartor är stabila kan tekniker för hjärn-dator-gränssnitt fungera under antagandet att kroppskartan förblir oförändrad över tid.
”Detta gör det möjligt för oss att gå vidare till nästa steg: att få tillgång till finare detaljer i handkartan – som att skilja fingertoppen från fingrarnas bas – och återställa de rika, kvalitativa aspekterna av känslan, såsom textur, form och temperatur. Denna studie är en kraftfull påminnelse om att även efter förlust av en lem håller hjärnan fast vid kroppen och väntar på att vi återansluter.”
More information: Schone, HR et al. Stable Cortical Body Maps Before and After Arm Amputation, Nature Neuroscience (2025). DOI: 10.1038/s41593-025-02037-7
